Elektrotechnologie 4

Izolanty a dielektrika Izolanty – materiály zamezující průchodu proudu Izolační odpor Realizují se izolátorem Dielektrika – slouží k zadržování elektrické energie Permitivita – určuje stupeň zadržování elektrické energie Realizují se kondenzátorem Kondenzátory jsou i jako izolátory: Oddělovací kondenzátory – zamezení průchodu stej. proudu do sousedního obvodu Blokovací kondenzátory – svedení stř. proudu o nežádoucí frekvenci do zemního vodiče V energetickém modelu atomu mají velkou šířku zakázaného pásma ( 3 eV), nemají volné elektrony (pouze ve velmi silném el. poli jsou elektrony volné).

Dielektrické ztráty Energie, která se spotřebuje za jednotku času v dielektriku umístěném ve střídavém elektrickém poli Je to jev většinou nežádoucí => vyplývají z něho zhoršené funkční vlastnosti (např. zvětšení vodivosti). Ve stejnosměrném elektrickém poli jsou dány jen vodivostí materiálu. Pod pojmem dielektrické vlastnosti se skrývají dva materiálové parametry: relativní permitivita, ztrátový činitel.

Relativní permitivita Relativní permitivita (kdysi dielektrická konstanta), je makroskopická veličina, která poskytuje kvantitativní informaci o složitých mikroskopických pochodech v látce uložené v elektrickém poli. Tyto pochody se nazývají polarizace dielektrika a jsou vyvolány silovým působením elektrického pole na vázané náboje v látce. Dva druhy dielektrik – polárních a nepolárních. Liší se skladbou hmoty a tudíž i chováním v elektrickém poli. U látky nepolární se proces polarizace odehrává u základních částic hmoty – atomů. Ty jsou nábojově vyvážené - jejich kladné náboje v jádře a záporné elektrony mají shodné těžiště ve středu jádra. Proto nevznikají elementární elektrické dipóly. U polární látky dipóly existují, jsou náhodně orientovány, navzájem se elektricky ovlivňují a v každém okamžiku se jejich vzájemné elektrické působení ruší. Proto se látka chová navenek neutrálně

Uvažujme dvě kovové desky s plochou S ve vzdálenosti l umístěné ve vakuu nebo přibližně ve vzduchu. Tento objekt lze považovat za deskový kondenzátor, který má určitou schopnost akumulovat elektrický náboj. Je to elektrická kapacita C0 zvaná též kapacita elektrod a její velikost se vypočítá ze vztahu C0 = ε0 . S / l (F), kde ε0 = 8,85.10-12 F/m je permitivita vakua. Vyplníme-li nyní prostor mezi deskami dielektrikem, pak se po připojení desek ke zdroji a následné polarizaci látky vytvoří situace znázorněná na :

Zpolarizované elementární částice vytvářejí řetězce, jejichž koncové náboje se neutralizují pomocí opačných nábojů, nacházejících se na elektrodách. Tím je část (zpravidla větší část) celkového náboje na elektrodách vázána. Zbývající část nábojů tvoří náboje nevázané. Vyplněním mezielektrodového prostoru látkou o permitivitě εr poklesne intenzita elektrického pole uvnitř dielektrika εr krát ve srovnání s intenzitou E0, která byla mezi deskami před vyplněním prostoru. Naopak kapacita kondenzátoru se zvětší εr krát, takže platí Cx = εr . C0 (F) Bude-li kondenzátor nyní připojen ke zdroji periodicky proměnného napětí U = U0 . ejωt bude se měnit periodicky i vnitřní elektrické pole v látce a tím také v důsledku polarizace i polohy elementárních částic. Tento pochod je ztrátový. Dielektrikem protéká ztrátový proud, který je ve fázi s napětím a za kapacitním proudem Ic = jωCxU se zpožďuje o úhel  = (π / 2) - δ. Čím větší je úhel δ tím větší jsou ztráty v dielektriku. Pro jejich hodnocení se používá tzv. ztrátový činitel tg δ, což je podíl proudu činného k proudu kapacitnímu (jalovému):

Rozdíl mezi izolantem a dielektrikem Fyzikální rozdíly nejsou Rozdíly v požadavcích: na izolanty – vysoký měrný odpor (min. 108 m), vysoká elektrická pevnost (min. 10 kV/cm) na dielektrika – vysoká permitivita při co nejmenších dielektrických ztrátách, vysoká elektrická pevnost

Příklady izolantů a dielektrik Materiál izolantů  (m) E (kV/cm) PVC 1016 260 - 500 Polystyren 1017 – 1019 900 - 1200 Porcelán 1014 100 - 300 Transformátorový olej 1012 – 1015 40 - 300 Vzduch   10 - 30 Materiál dielektrik r tg  (při 100 kHz) E (kV/cm) Polystyren (folie) 2,5 1.10-4 900 - 1200 Napuštěný papír 3,7 1.10-2 1800 Mikanit (lisovaná slída) 6 – 8 2.10-4 – 1.10-3 1000 Voda 81 - Kondenzátorový olej 2,2  2.10-4 200

Užívané izolanty a dielektrika Skla Elektroizolační sklo Křemenné sklo Boritokřemičité sklo Olovnaté sklo Alkalické sklo Nízkotavné sklo Speciální sklo (kalená, spékaná, vodivá) Elektrokeramika Keramika, porcelán šamotová keramika, hořečnatá pórovina, pórovitý steatit, pórovtý korund Azbest

Plasty Termoplasty Reaktoplasty Elastomery Silikony Polyetylen Polystyren Polytetrafluoretylen (TEFLON) Polymonochlortrifluoretylen (TEFLEX) Polypropylen (MOPLEN) Polyvinylkarbazol Polyimid Polyamidy (NYLON) Polyvinylchlorid (PVC, IGELIT, NOVODUR) Plymetymetakrylát (organické sklo) (PLEXIGLAS, UMAPLEX) Reaktoplasty Fenolformaldehydová pryskyřice Polyesterová pryskyřice Epoxidová pryskyřice Celulóza Elastomery Přírodní pryž (kaučuk) Umělý kaučuk Silikony

Přírodní vláknité izolanty a nátěrové hmoty Papír a lepenka Přírodní hedvábí Bavlna Juta a len Nátěrové hmoty Laky Barvy, emaily

Technologie výroby kondenzátorů Keramické kondenzátory Diskové Plošné Trubkové Vinuté (fóliové) kondenzátory Slídové kondenzátory Vysokonapěťové Tmelené Nýtované Sloupkové kondenzátory Vzduchové kondenzátory

Elektrolytické kondenzátory Hliníkové Tantalové

Piezoelektrické látky Piezoelektrický jev – vzniká stlačením desky krystalu , kdy se objeví náboj na protilehlých stranách desky. Obrácený (inverzní) piezoelektrický jev – vzniká po přiložení elektrického napětí na krystal opatřený elektrodami Piezoelektrické materiály: vinan sodno-draselný (Seignettova sůl) Monokrystal křemene

Rezonanční jev Rezonanční jev piezoelektrického krystalu: Při stříd. budícím napětí se struktura krystalu chová jako pružná mechanická soustava, která má svůj vlastní rezonanční kmitočet, při němž je amplituda mechanických kmitů největší.

Kapalné krystaly (krystalické kapaliny) Organické látky s podlouhlými válcovými molekulami, které při přechodu bodu tání z krystalického stavu k vyšším teplotám ještě částečně zachovávají uspořádaný stav. Látka připomíná svou strukturou pevný krystal a svou tekutostí kapalinu. Nad bodem tání je látka v „želatinovém“ stavu. Typy kapalných krystalů: Smektické Nematické Cholesterické

Nematické kapalné krystaly Vkládají se mezi dvě skleněné elektrody. Po přivedení proudu se krystaly zvíří a ztratí odrazivost pro světlo. Proud na 1 segment displeje je 100 nA Bez napětí Pod napětím 1 průhledná vodivá elektroda 2 sklo 3 odrazová vrstva, zem